РОЗДІЛ 2
Математична модель тепловізійної системи спостереження
Функціональна схема ТСС може бути представлена у вигляді, як показано на рис.
2.1 [2, 7, 8]. Випромінювання від об'єктів спостереження і фону (рис. 2.2, A)
проходить через атмосферу і надходить в оптичну систему (ОС) приладу (рис. 2.2,
Б). ОС формує зображення об'єкта і фона в площині приймача випромінювання (ПВ)
(рис. 2.2, В). Скануюча оптична система робить розгортку цього зображення і
перетворює двомірний розподіл освітленості в одномірний світловий потік, що
сприймається ПВ. ПВ перетворює цей потік в електричний відеосигнал, який після
підсилення надходить у блок аналогової і цифрової обробки (рис. 2.2, Г). Після
необхідних перетворень відеосигнал надходить до відеооглядового пристрою (ВОП),
де формується аналог об'єкта і фона (рис. 2.2, Д), що сприймається оператором.
Зображення об'єкта може бути представлено, як монохромним так і кольоровим.
Звичайно ТСС генерує тільки чорно-біле зображення. Це зображення називається
термограмою. Використовуючи складні алгоритми, це зображення може бути
перетворене в псевдокольорове. Це робиться тому, що людина має природне
відчуття того, які кольори є “гарячими” (червоний і білий), а які “холодними”
(синій і зелений) (рис. 2.3.). Таким чином, кольорова термограма дає нам
миттєве відчуття температурного розподілу у площині об'єктів.
Розглянемо детально окремі елементи функціональної схеми ТСС.
Джерелами випромінювання є штучні об'єкти (будинки, мости, автомобілі, кораблі,
літаки і т.ін.), а фонами є земна поверхня, небо, дерева і т.ін. Об'єкти і фони
характеризуються як просторовими (геометричними розмірами), так і енергетичними
(температурою) параметрами, причому для об'єктів ці параметри описуються
детермінованими функціями, а для фонів випадковими.
Рис. 2.1. Функціональна схема узагальненої ТСС [7]:
I – джерела випромінювання. II – оптична система. III – блок обробки
відеосигналу;
1 – об'єкт, 2 – фон, 3 – атмосфера, 4 – система сканування, 5 – об'єктив, 6 –
ПВ, 7 – підсилювач відеосигналу, 8 – аналоговий блок, 9 – цифровий блок, 10 –
ВОП, 11 – оператор.
Рис. 2.2. Загальний вигляд тепловізійної камери
Рис. 2.3. Термограма обличчя людини: ліворуч – звичайна термограма, праворуч –
термограма після цифрової обробки
Атмосфера – це проміжне середовище між джерелами випромінювання і ТСС. В
атмосфері відбувається зміна параметрів випромінювання об'єктів і фонів за
рахунок поглинання і розсіювання. Поглинання обумовлене взаємодією
електромагнітної хвилі з молекулами атмосферних газів і води, а розсіювання
пов'язане з наявністю скупчення атмосферних газів, часток пилу і крапель води.
При цьому може спостерігатися зміна як просторових, так і енергетичних
параметрів випромінювання, що, як правило, випадково змінюються в часі.
Оптична система (ОС) складається з різного роду комбінацій лінз, дзеркал,
призм, світлофільтрів і т.ін.
ОС виконує наступні основні функції:
а) Формує зображення об'єктів і фонів у площині приймача випромінювання з
необхідними масштабом і якістю;
б) Забезпечує необхідний огляд простору при малому миттєвому полі зору;
в) Забезпечує спектральну фільтрацію оптичного сигналу з метою збільшення
відношення величини випромінювання від об'єкта до величин випромінювання фона;
г) Виконує спостереження за об'єктом і визначає його координати.
Важливою складовою частиною ОС є об'єктив, призначений для формування
зображення об'єктів і фонів у площині ПВ в заданому спектральному діапазоні.
Вимога до світлосили об'єктива і якості зображення визначається завданнями, що
вирішує ТСС. При проектуванні об'єктива завжди необхідно шукати компромісне
рішення з погляду створення простого об'єктива, що забезпечує необхідні
світлосилу і якість зображення.
Об'єктиви будуються так само, як і для телевізійних камер. Однак, марки скла
які застосовуються для об'єктивів телевізійних камер не можуть бути використані
для об'єктивів ТСС, так як вони відрізняються своїм робочим спектральним
діапазоном. Для ТСС використовують спеціальні матеріали і у більшості випадків
об'єктиви будують на германієвих лінзах. Приклад такого об'єктива від фірми
FLIR Systems, Inc. представлений на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Об’єктив фірми FLIR Systems, Inc.
Система сканування призначена для перетворення двомірного розподілу освітлення
зображення в одномірний потік випромінення, що сприймається ПВ. Вона будується
в залежності від типу ПВ (одноелементний, лінійка або матриця), і завдань, що
вирішує ТСС. Скануючі системи бувають з оптико-механічним і електронним
розгорненням зображення, з паралельним чи послідовним принципом розкладання
двомірного оптичного сигналу в одномірний. Вони можуть працювати разом з ОС чи
з ПВ, але з обов'язковою синхронізацією при відтворенні зображення на ВОП.
Приймач випромінювання – основний елемент, що визначає можливості ТСС, і
служить для перетворення електромагнітного випромінення в електричний сигнал.
Існують різні визначення ПВ, але усі вони відбивають головну його властивість –
здатність виявляти наявність випромінювання шляхом перетворення його в
електричну енергію з наступною реєстрацією.
Основною і необхідною умовою роботи ПВ в складі ТСС є його робоча область у ІЧ
діапазоні спектра.
Підсилювач відеосигналів служить для посилення дуже слабкого вихідного
електричного сигналу з ПВ (одиниці nA чи A). Сигнал ПВ надходить до підсилювача
через вхідний узгоджувальний ланцюг, вибір параметрів якого є важливою
проблемою, що дозволяє збільшити відношення сигнал/шум. Основними
характеристиками підсилювача є коефіцієнт підсилення, смуга пропускання, рівень
власних шумів.
Як відеопідсилювачі (ВП) використ
- Київ+380960830922